Los efectos cuánticos podrían ayudar a convertir el grafeno bicapa retorcido en un superconductor

La geometría cuántica juega un papel clave al permitir que un material conocido como grafeno bicapa retorcido (tBLG) se convierta en un superconductor, según nuevos experimentos realizados por físicos en La Universidad del Estado de Ohio, La Universidad de Texas en Dallas, y la Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón. El hallazgo implica que las ecuaciones de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ampliamente utilizadas para superconductores deben modificarse para materiales como tBLG que tienen cargas de movimiento muy lento. También puede ayudar a proporcionar nuevos principios rectores en la búsqueda de nuevos superconductores que operen a temperaturas más altas, dicen los investigadores.

El grafeno es un cristal bidimensional de átomos de carbono dispuestos en forma de panal. Este llamado "material maravilloso" cuenta con muchas propiedades excepcionales, incluida una alta conductividad eléctrica a medida que los portadores de carga (electrones y agujeros) atraviesan la red de carbono a velocidades muy altas.

En 2018 investigadores dirigidos por Pablo Jarillo Herrero del MIT descubrió que cuando dos hojas de este tipo se colocan una encima de la otra con un pequeño ángulo de desalineación, forman una estructura conocida como superretícula moiré. Y cuando el ángulo de torsión entre ellos alcanza el "ángulo mágico" (teóricamente predicho) de 1.08°, esta configuración de bicapa "torcida" comienza a mostrar propiedades como la superconductividad por debajo de cierta temperatura crítica, T_c, – es decir, conduce la electricidad sin ninguna resistencia.

En este ángulo, la forma en que los electrones se mueven en las dos hojas acopladas cambia porque ahora se ven obligados a organizarse con la misma energía. Esto conduce a bandas electrónicas "planas", en las que los estados de los electrones tienen exactamente la misma energía a pesar de tener diferentes momentos. Esta estructura de banda plana hace que los electrones no tengan dispersión, es decir, su energía cinética se suprime por completo y no pueden moverse en la red muaré. El resultado es que las partículas disminuyen su velocidad casi hasta detenerse y se localizan en posiciones específicas a lo largo de las láminas acopladas.

Una paradoja de conducción

En el nuevo trabajo, los investigadores, dirigidos por marc bockrath y jeanie lau, mostró que los electrones en tBLG se mueven a una velocidad tan lenta como de 700 a 1200 m/s. Esto puede parecer rápido en términos convencionales, pero en realidad es un factor de 1000 más lento que la velocidad de los electrones en el grafeno monocapa.

“Esta velocidad constituye una velocidad intrínseca para los electrones en tBLG y, por lo tanto, también un límite a la cantidad de corriente que puede transportar el material, ya sea superconductor o metálico”, explica Lau. "Esta velocidad lenta da lugar a una paradoja: ¿cómo tBLG conduce la electricidad, y mucho menos como superconductora, si los electrones se mueven tan lentamente?"

“La respuesta es la geometría cuántica”, dice ella.

La geometría ordinaria se refiere a cómo los puntos u objetos se relacionan espacialmente, por ejemplo, qué tan separados están y cómo están conectados. La geometría cuántica es similar, pero describe la naturaleza cuántica de los electrones, que no son solo partículas sino también ondas y, por lo tanto, tienen funciones de onda, y cómo estas funciones de onda se conectan y entrelazan. “Esta contribución resulta fundamental para permitir la superconductividad”, dice Bockrath. Mundo de la física. "En lugar de electrones que se mueven rápidamente, las ricas conexiones de las funciones de onda de los electrones son importantes".

La mayoría de los superconductores hasta la fecha están descritos por la teoría BCS (llamada así por sus descubridores, Bardeen, Cooper y Schrieffer). Esta teoría explica por qué la mayoría de los elementos metálicos son superconductores por debajo de su T_c: sus electrones fermiónicos se emparejan para crear bosones llamados pares de Cooper. Estos bosones forman un condensado de fase coherente que puede fluir a través del material como una supercorriente que no experimenta dispersión, y la superconductividad es una consecuencia de esto.

Pulsos eléctricos cortos activan y desactivan la superconductividad en el grafeno de ángulo mágico

Sin embargo, la teoría se queda corta cuando se trata de explicar los mecanismos detrás de los superconductores de alta temperatura. De hecho, el mecanismo subyacente a la superconductividad a alta temperatura se considera uno de los problemas fundamentales sin resolver de la física.

"Nuestros resultados muestran que las ecuaciones BCS también deben modificarse para superconductores como tBLG con cargas de movimiento muy lento", dice Lau. “Nuestro trabajo también puede proporcionar nuevos principios rectores en la búsqueda de nuevos superconductores que puedan operar a temperaturas más altas que las conocidas”, agrega Bockrath.

El equipo ahora continuará investigando tBLG para cuantificar y comprender el papel de la geometría cuántica en colaboración con teóricos.

La investigación se detalla en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/